变频器IGBT模块故障与驱动电路（电压）的关系

摘要:    国内厂矿企业对变频器的应用已基本上普及，凡是用到电动机的地方，几乎就会见到变频器的踪影。变频器是强电与弱电的有机结合；是硬件与软件的有机结合。它强大的功能、完善的检测和保护电路、控制上的智能化和灵活多变；它的电气元器件的非通用性和特殊要求，使的检修思路和方法也有其独特性。变频器和PLC等工控设备的应用和普及，对其维修甚至形成了一个专门的行业，成为电气技术的一个分支。也使得电工的概念发生了深刻变化。主要通过对通用变频器逆变模块及驱动电路的分析，了解IGBT一些故障的常见形式及特点,满足解决维修实际问题的需要。
 

 
通常认为IGBT器件是电压型控制器件，只需提供一定电平幅度激励电压,而不需要吸取激励电流。因为IGBT栅—射极间 存在一个结电容，在对其进行开通和截止过程，实质上是对IGBT栅—射极间结电容进行充电、放电的过程。这个充电放电的过程和形成了一定的峰值电流。另一方面，变频器输出电路中的IGBT工作于数KHz的脉冲之下，其栅偏压也为数KHz的脉冲电压。电容有通交隔直的特性，相对于数十KHz的脉冲电压，电容的容抗较小，因而形成较大的充放电流。因此，通过上述分析，可以得出：用在变频器输出电路的IGBT应是电流或功率驱动器件，而不是纯电压控制器件。驱动电路（注1）的输出级，也应是一个功率放大电路。因为IGBT的驱动是消耗一定功率，要输出一定电流的。故功率较大的IGBT 模块需由功率放大电路来驱动。
所以说：
（1）为了使IGBT迅速开通，而给出正栅偏压的时间很短，就要提供尽可能大的驱动电流（充电电流），保证IGBT快速可靠地开通，导通时要有一定的饱和深度，以减小导通损耗。但是，并非Uce越高越好，一般选+10~15V。对于截止的控制也是一样，须驱动电路对栅—射结电容上的电荷进行快速释放。为了使IGBT 截止可靠，就要提供足够幅度截止负压来满足IGBT 关断的要求,也应对截止状态的IGBT加一反向栅压（一般为-5~-15V)，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。
（2）驱动电路的基本要求较高，应具有以下基本性能：1·动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。2·驱动器的内阻也不能过小，以免回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。3·有足够的输入、输出电隔离能力。驱动电路作为逆变电路关系密切的一部分,对变频器的三相输出有着巨大的影响。驱动电路的性能、质量，是保证IGBT模块正常工作的重要条件。
 

 
IGBT模块工作在高电压、高频率、大电流状态下。IGBT模块，逆变频率达18KHZ，动态响应速度快、稳定性能好。兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在Uce下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和区，又增加了一段延缓时间，使Uce波形变为两段。在关断过程中，因PNP晶体管中存储的电荷不能迅速消除，电流Ic也分为两段。在IGBT导通的大部分电流范围内，Ic与Uge呈线性关系，Uge越大Ic越大。
    变频器输出电路中的IGBT逆变模块工作于数KHz频率的脉冲之下，其栅偏压也为数KHz的脉冲电压。而IGBT的工作条件又是严酷的，需要可靠开通和快速截止。随着电力电子技术的不断发展， IGBT逆变桥在能量转换电路中的应用日益广泛。对其保护十分重要。
决定IGBT工作的可靠性的各种因素中，过流保护电路起着关键性的作用。由于IGBT承受过流或短路的能力有限，过流保护电路，不仅关系到IGBT模块本身的工作性能和运行安全，而且影响到整个系统的性能和安全。一般采用检测IGBT正向导通态管压降Uce，来反映导通电流的大小。此方法不仅简单而且可以防止IGBT工作时退饱和。IGBT的正向饱和压降约为2.5—3V，一般当Vce大于7V时，就可认为是过流。如果属于瞬时过流，保护电路不做处理，但过流时间稍长或过流幅度较大，则实施保护停机。
 

 
（一）、 在我们平时的日常生产使用中,IGBT模块损坏是一种常见的故障现象,损坏的原因可能是多种多样的。下面就讲几个在维修变频器时和驱动电路有关的实例：
 
     （1），安川616G5，3.7KW的变频器，故障现象为三相输出正常，但在低速时马达抖动，无法进行正常的生产。分析为变频器驱动电路损坏。确定故障现象后将变频器打开，将IGBT逆变模块从印板上卸下，使用电子视波器观察六路驱动电路打开时的波形是否一致，找出不一致的那一路驱动，更换该驱动电路上的IC，一般为PC923或者PC929，若变频器使用年数超过3年，推荐将驱动电路的电解电容全部更换，然后再用视波器观察，六路波形一致后装上IGBT逆变模块，进行负载实验，抖动现象消除。
    （2），日立VWS5.5HF3EH，变频器启动后，发出“吱吱”的响声，声音随频率的增加逐渐变得尖锐刺耳，声音持续约5秒后，变频器发出“OC”故障报警，空载也是如此。因为空载下报过流，不是真正的过流故障，因此怀疑是IGBT模块故障，检查后，没有发现问题。又怀疑是主电路部分的问题，大电容漏电产生大的脉动，造成过流。检查电容的容量和从放电性能也没有发现问题。最后怀疑是驱动电路部分的问题。当不接IGBT模块时不过流保护，一旦接IGBT模块就保护。在驱动信号全部正常的情况下，故障一是驱动模块性能衰退，不能驱动IGBT；二是电容失效造成驱动电压不稳定，驱动信号不正常，使IGBT开关时间配合不好，造成主回路过流。由于电容是易损件，首先检查电容，把所有的电容都拆下查过了，电容的漏电阻基本上没有差别，充放电也很正常。用万能电桥测量时，发现一个电容的容量比其它电容的容量小，但不明显，就没有更换它。于是就换了三相驱动模块，开机故障依旧。驱动模块的故障也排除了。由于三相输出同时出故障的可能性较小，采用正常回路与故障回路的相同器件对调的方法找故障件。最后找出了故障原因，问题还是出在那个电容容量比较小的电容上。由于电容容量不足，才造成驱动信号失常，使机器工作过流。更换电容以后，变频器工作恢复正常。
（3），台达VFD075-M变频器，故障现象是变频器输出端打火，拆开检查后发现IGBT逆变模块击穿，驱动电路印板严重损坏，正确的解决办法是先将损坏IGBT逆变模块拆下，拆的时候主要要尽量保护好印板不受人为二次损坏，将驱动电路上损坏的电子原器件逐一更换以及印板上开路的线路用导线连起来（这里要比较注意要将烧焦的部分刮干净，以放再次打火），六路驱动电路阻值相同，电压相同的情况下使用视波器测量波形，但变频器一开就报OCC故障（台达变频器无IGBT逆变模块开机会报警）使用灯泡将模块的P1和印板连起来，其他的用导线连，再次启动还跳OCC，确定为驱动电路还有问题，逐一更换光耦，后发现该驱动电路的光耦带检测功能，其中一路光耦检测功能损坏，更换新的后，启动正常。
   （4），富士G9变频器，故障表现在为上电无显示。分析可能是变频器开关电源损坏，打开变频器检查开关电源线路，但是经检查开关电源器件线路都无损坏，在DC正负处上直流电也无显示，这个时候要估计到可能是驱动问题，将驱动电路所有电容拆下，发现有个别电容漏液，更换新的电解电容，再次上电后正常工作。
   （ 5）·伟肯 VACON 132CX4 （报废的经过及原因），使用3年后，夏天正常，冬天有时不能启动，报存储器错误(EPPROM,ERROM),这时机器已加电，屏幕亮，风机转。断电重启，故障又消失。考虑到此变频器的工作环境较差，附近有废蒸汽排出，加上是冬天，室内温度在20度以下，机器内部印刷线路板上有积灰，就有可能结露，就会导致IC引脚漏电。特别是存储器、CPU这些贴片IC，引脚密集，结露会造成引脚电平异常，报故障也就不奇怪了。等一等断电重启，故障又消失，是因为机器内部风机工作，将结露吹掉，热量又使水汽减少，断电又起故障复位作用。第4年，此变频器开始频繁报散热器过热故障，用吹尘枪吹出不少灰尘，凉一凉开机就好了。第5年夏天，不仅报过热故障，而且报过流故障。全面除尘后，过热故障少了些，但过流没有改观多少，机器开开停停，最后报（INRERTER FAULT），逆变器故障，再也开不起来。拆机检查，驱动板烧黑，6只IGBT逆变模块两只炸裂，未炸裂的控制极端子处积满黑色粘糊糊的脏污。用万用表100K档测C、E两极间有30K左右不稳定漏电电阻，4块同样。利用无水酒精将污垢清理干净，再利用电吹风吹干，再测量控制栅极和C极、E极,其间电阻无穷大。测量其它其他电极之间的电阻正常。内阻二极管阻值 正常,实测栅射极间电容2000PP，一致性很好，这四支模块都是好的。变频器因损坏的较严重无法修理而报废。